ỨNG DỤNG NGUYÊN LIỆU SILICAT TRONG PHẾ PHỤ NÔNG NGHIỆP ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NHẸ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA MÔI TRƯỜNG - - ĐỀ CƯƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: “ỨNG DỤNG NGUYÊN LIỆU SILICAT TRONG PHẾ PHỤ NÔNG NGHIỆP ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NHẸ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG” Người thực : TRỊNH THỊ LÂM Lớp : K59KHMTE Khóa : 59 Ngành : MÔI TRƯỜNG Giáo viên hướng dẫn : Th.S NGUYỄN THỊ THU HÀ Hà Nội - 2017 ĐỀ CƯƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trịnh Thị Lâm Mã sinh viên: 597104 Tel: 0969520126 Mail: mailam281297@gmail.com Chuyên ngành: Khoa học môi trường Lớp: MTE Khoá: 59 Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Thu Hà Tel: 0906170086 Mail: ha170086@gmail.com Tên đề tài: “Ứng dụng nguyên liệu silicat phế phụ phẩm nông nghiệp để chế tạo vật liệu nhẹ xử lý môi trường ” Loại đề tài: x Khoa học thực nghiệm Điều tra Địa điểm thực hiện: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Người thực Trịnh Thị Lâm PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nền kinh tế Việt Nam tăng trưởng nhanh Năm 2017, tăng trưởng kinh tế đạt 6,81% Sau khó khăn chạm đáy vào năm 2012, kinh tế quốc gia cho thấy tăng trưởng ổn định cao mức tăng trưởng trung bình giai đoạn 2011 - 2017 Bên cạnh việc trọng phát triển kinh tế Việt Nam quan tâm đến khía cạnh khác nói chung khía cạnh mơi trường nói chung Việt Nam bước hoàn thiện hệ thống văn pháp luật thực tương đối tốt công tác quản lý xử lý mơi trưởng Chính vậy, việc khơng ngừng nghiên cứu phát triển kỹ thuật, công nghệ xử lý môi trường ngày phát triển Tuy nhiên, nhiều khó khăn Với 12,8 tỉ USD giá trị năm 2017, ngành xây dựng Việt Nam tiếp tục tăng trưởng nóng năm 2018, theo chuyên gia doanh nghiệp Và xu hướng ngành vật liệu xây dựng sử dụng loại vật liệu nhẹ tiết kiệm giá thành thân thiện với môi trường Theo quy hoạch tổng thể ngành công nghiệp vật liệu xây dựng đến năm 2010 định hướng 2020 thủ tướng Chính phủ phê duyệt, việc phát triển gạch không nung thay gạch đất nung phải đạt 25 - 30% vào năm 2010, xóa bỏ hồn tồn gạch đất nung thủ cơng vào năm 2020 Hiện nay, Việt Nam có nhiều cơng ty công bố dự án đầu tư dây chuyền sản xuất gạch nhẹ không nung Các dự án lớn kể đến dự án Tổng cơng ty Thuỷ tinh Gốm xây dựng Viglacera (công suất 200.000 m3/năm), CTCP Sông Đà Cao Cường (200.000 m3/năm), CTCP Xây dựng Dầu khí Nghệ An (100.000 m3/năm), mức đầu tư khoảng 80 tỷ đồng/100.000 m3.  Việt Nam nước có nơng nghiệp lâu đời với hệ thống trồng phong phú, đa dạng, đặc biệt lúa Silic (Si) bốn nguyên tố dinh dưỡng trung lượng trồng, riêng với lúa, ngơ, mía, dứa, silic cịn coi ngun tố đa lượng Khi bón đủ silic lượng silic tăng lớp tế bào biểu bì mặt tạo thành rào cản vật lý ngăn chặn xâm nhiễm làm giảm bệnh đạo ôn, bệnh đốm nâu, bệnh lem lép hạt đến 30% Cây có nhiều silic thẳng đứng tăng khả quang hợp để tổng hợp dinh dưỡng, hạn chế bốc thoát nước tăng sức chống chịu hạn, chịu mặn, giảm tác hại hút nhiều sắt nhôm mangan di động đặc biệt vùng đất phèn Nhiều nghiên cứu thành phần tro rơm rạ có hàm lượng silicat chiếm tỉ lệ cao 40-75% (Soren Halvarsson, 2010) Xuất phát từ đó, nhiều nghiên cứu thực phịng thí nghiệm xây dựng qui trình thu hồi SiO từ phế phụ phẩm nông nghiệp cho kết SiO2 thu hồi có cấu trúc vơ định hình, kích thước < 5micromet, tụ lại thành đám, dạng xốp độ tinh khiết đạt 79,3% rơm rạ (Hồ Thị Thúy Hằng, 2016) Trên giới Việt Nam, chưa có nghiên cứu kết hợp nguồn nguyên liệu silic thu hồi phế phụ phẩm với việc sản xuất vật liệu nhẹ để xử lý mơi trường Chính vậy, nghiên cứu xem xét đến khả “ứng dụng nguyên liệu silicat phế phụ phẩm nông nghiệp để chế tạo vật liệu nhẹ xử lý môi trường” Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung: Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu nhẹ xử lý môi trường Mục tiêu cụ thể: - Nghiên cứu, chế tạo vật liệu nhẹ có khả làm nơi cư trú cho vi sinh vật - Nghiên cứu thành phần, tính chất vật liệu chế tạo để có khả xử lý mơi trường PHẦN NỘI DUNG THỰC HIỆN Chương Tổng quan nghiên cứu 1.1 Silic thực vật 1.1.1 Vai trò, vận chuyển phân bố Si thực vật 1.1.1.1 Vai trò Si thực vật Si đóng vai trị chất dinh dưỡng có tác dụng tăng cường sinh trưởng, cải thiện suất trồng chất lượng nơng sản Tùy trường hợp, Si đánh giá có ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến sinh trưởng suất trồng, không ảnh hưởng Cây trồng đáp ứng với Si quan trọng lúa, có mối tương quan chặt hàm lượng Si rơm rạ với suất lúa (Park, 1979 – trích dẫn Mengel Kirkby, 1987), hiệu lực Si bội thu suất hạt lúa rõ (Nagabovanalli công sự, 2002) Hơn nữa, Si có tác dụng tốt lên yếu tố cấu thành suất số bông, số hạt/bơng % hạt Silic đặc biệt kích thích tái tạo quan lúa (Mengel Kirkby, 1987) Si có ảnh hưởng tốt lên sinh trưởng suất nhờ vào tác dụng làm giảm thoát nước mức, tăng sức chống chịu nấm, sâu bệnh giảm đổ ngã 1.1.1.2 Sự vận chuyển phân bố Si thực vật Sự phân bố Si tùy thuộc vào loại phận Trong số cây, Si phân bố đồng thời đồng chồi rễ, khác tích lũy chồi nhiều rễ Trong vài trường hợp hàm lượng Si rễ cao chồi Đối với cà chua, hành, củ cải bắp cải Trung Quốc có hàm lượng Si thấp, lượng Si rễ tương đương cao chồi Khi lượng Si tổng số cao, Si dường tập trung nhiều phận không (lá, bẹ lá, đốt thân), thể rõ lúa, yến mạch Hàm lượng silica rễ yến mạch 2% lượng silica toàn Vách tế bào lớp biểu bì, ống mạch sợi chứa nhiều silica (dạng hydrate hóa nhiều) Sự vận chuyển phân bố Si Cho dù silica gel đơng đặc hay tích tụ lại phận trở nên khơng linh động, khơng thể nguồn cung cấp Si cho phận khác có thiếu hụt Si xảy giai đoạn sau Theo Mengel Kirkby (1987), phân bố Si phụ thuộc vào mức độ thoát nước phận khác 1.1.1.3 Tích lũy Si phế phụ phẩm nông nghiệp Theo nghiên cứu của tác giả Bùi Huy Hiền, 2013, Phân loại phế phụ phẩm làm phân bón hữu hàm lượng Si tồn dạng SiO2 chiếm thành phần lớn thành phần tro loại phế phụ phẩm Trong thân ngô SiO2 chiếm 63.8%, rạ nếp 89.0%, rạ chiêm 86.7%, bã mía 60.9%,… Trong thành phần tro rơm rạ nhiều nhà nghiên cứu (4 – 20%) silic chiếm tới khoảng 80-90% (Bùi Huy Hiền, 2013; Rajesh Ghosh et al, 2013) Theo Soren Halvarsson, 2010 vài nghiên cứu khác thành phần silic tro rơm rạ chiếm từ 40-75% Thành phần chủ yếu vỏ trấu chủ yếu chứa nguyên tố C, H, O, Si (chiếm tới 98,85%) lại nguyên tố khác không đáng kể Trong đặc biệt hàm lượng Si chiếm tỉ lệ 9,81% tương đương với phần trăm SiO 21,02% 1.2 Tổng quát vật liệu nhẹ 1.2.1 Khái niệm vật liệu nhẹ Trong xây dựng, vật liệu nhẹ bao gồm bê tơng nhẹ, bê tơng khí chưng áp AAC, Định nghĩa bê tông nhẹ bê tông có chứa bọt, hàm lượng chiếm khoảng 75% thể tích, khơ có tỷ trọng  khoảng 400-1600 kg/m3 có độ chịu nén từ MPa to 15 MPa 1.2.2 Đặc điểm chung vật liệu nhẹ 1.2.2.1 Trọng lượng nhẹ Gạch bê tơng nhẹ (hay blốc bê tơng khí chưng áp) nhẹ từ ½ đến 1/3 so với gạch đất nung ¼ trọng lượng gạch bê tơng thường Ngun nhân kết cấu bọt khí chiếm đến 80% tồn cấu tạo bên viên gạch Đây đặc tính trội giúp tiết kiệm lượng vật liệu làm khung, móng cọc, giúp vận chuyển, thi công dễ dàng 1.2.2.2 Cách âm tốt Gạch bê tơng nhẹ có cách tản âm tự nhiên nhờ vào cấu trúc bọt khí khả hấp thụ âm vượt trội Dù âm từ bên ngồi vào phịng hay từ phịng bắt buộc chuyển động theo đường zig-zag, sóng âm bị chia nhỏ dần đường gãy giảm đến mức tối thiểu xuyên qua tường 1.2.2.3 Cách nhiệt tiết kiệm lượng Gạch bê tơng nhẹ có hệ số dẫn nhiệt thấp, dẫn đến hiệu ứng đơng ấm, hạ mát Cũng nhờ vậy, mức điện dùng cho điều hòa nhiệt độ tiết kiệm đến 40%, tạo giá trị lâu dài cho người sử dụng Đồng thời, tường ngăn xây gạch bê tơng nhẹ chịu đựng mức 1200 độ C đám cháy thông thường không thay đổi kết cấu bị phun nước lạnh đột ngột Kết thử nghiệm cho thấy tường xây gạch bê tông nhẹ đảm bảo an toàn tối thiểu tiếng đám cháy 1.2.2.4 Độ xác cao Gạch bê tơng nhẹ có kích thước xây dựng lớn, sản xuất theo kích thước quy chuẩn, giúp việc xây tường có độ xác cao, giảm thất lượng vữa để trát phẳng mặt Chính điều góp phần giảm chi phí vữa thời gian hồn thành so với gạch đất nung thông thường 1.2.2.5 Độ bền vững cao Gạch bê tông nhẹ loại vật liệu xây dựng có tính đồng nhất, có gốc bê tơng dưỡng hộ điều kiện nước bão hòa áp suất cao Nhờ trình chưng áp, thành phần hóa học cấu trúc tinh thể ổn định để tạo kết cấu vững bao gồm chủ yếu khống tobermorite Vì thế, gạch bê tơng nhẹ có độ bền vững theo thời gian, có cường độ chịu lực cao loại vật liệu có dạng xốp ổn định dạng gạch bê tông thông thường 1.2.2.5 Chống nhiều loại côn trùng Là loại vật liệu không bị công mối, mọt, kiến sinh vật khác điều kiện khí hậu nhiệt đới 1.2.2.6 Thân thiện mơi trường Gạch bê tông nhẹ sản phẩm thân thiện môi trường, từ nguồn nguyên liệu quy trình sản xuất Sản phẩm giảm thiểu lượng chất thải gây ô nhiễm mơi trường khí thải gây hiệu ứng nhà kính 1.3 Một số phương pháp chế tạo 1.3.1 Phương pháp Gassilicat - Chế tạo bùn cát - Tạo hỗn hợp silicat với chất tạo khí - Đặt cốt thép - Đổ khuôn - Gia công nhiệt ẩm 1.3.2 Phương pháp Gassilicat bọt 1.3.3 Phương pháp Silicat bọt 1.4 Khả kết hợp silicat phế phụ phẩm để chế tạo vật liệu nhẹ Các vật liệu kim loại silicat với ứng dụng chúng Việc tổng hợp, mô tả ứng dụng vật liệu xốp khuyến khích mạnh mẽ nhiều ứng dụng việc hấp phụ, tách, xúc tác cảm biến Việc thiết kế, tổng hợp sửa đổi vật liệu xốp có số khía cạnh khó khăn Tuy nhiên, nghiên cứu ứng dụng biến đổi số phương pháp chế tạo vật liệu nhẹ xây dựng để thử nghiệm chế tạo vật nhẹ xử lý môi trường Danh mục tài liệu tham khảo sử dụng để viết tổng quan: Hồ Thị Thúy Hằng, 2016 Zeid A ALOthman(2012), A Review: Fundamental Aspects of Silicate Mesoporous Materials Samuel Bernard, Andre Ayral and Philippe Miele (2016), Synthesis and Textural Characterization of Mesoporous and Meso-/Macroporous Silica Monoliths Obtained by Spinodal Decomposition Ts.Nguyễn Phú Hịa, Sử dụng Zeolite ni trồng thủy hải sản, http://uv-vietnam.com.vn/NewsDetail.aspx?newsId=2151, Truy cập ngày 8/1/2018) http://iasvn.org/upload/files/2AYJBS5K7Bvai%20tro%20cua%20silic.pdf Bùi Huy Hiển,2013, Phân loại phế phụ phẩm Chương Đối tượng, nội dung phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu - Dung dịch Na2SiO3 thu hồi từ tro rơm rạ - Khoáng sét trấu 2.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tiến hành phịng thí nghiệm, sử dụng nguồn hỗn hợp rơm rạ từ nhiều giống lúa khác thu gom từ khu thí nghiệm đồng ruộng thuộc Học Viện Nơng nghiệp Việt Nam khoáng sét - Địa điểm nghiên cứu: Tiến hành phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng Nghệ Mơi Trường - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam - Phạm vi thời gian: từ tháng 12 năm 2017 đến tháng năm 2018 2.3 Nội dung nghiên cứu 2.3.1 Chuẩn bị vật liệu thí nghiệm - Vật liệu SiO2 tồn dạng hòa tan dung dịch Na 2SiO3 có nguồn gốc từ hỗn hợp rơm rạ từ nhiều giống lúa thu gom khu thí nghiệm đồng ruộng thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam Áp dụng quy trình: Rơm rạ Đốt cháy hồn tồn Nhiệt phân yếm khí 4h 6000C Kiềm hóa với NaOH 3M 3h Lọc thu dung dịch Na2SiO3 10 - Khoáng sét tự nhiên Bentonite 2.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tỉ lệ phối trộn đến tính chất vật liệu 2.3.3 Ảnh hưởng thể tích chất kết dính Na2SiO3 đến tính chất vật liệu 2.3.4 Ảnh hướng tỉ lệ Si/Al đến tính chất vật liệu 2.4 Phương pháp nghiên cứu 2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp: 2.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm: TN1: Xác định nhiệt độ tối ưu khoảng tỉ lệ phụ gia vật liệu tối ưu Nhiệt độ (oC) 300 400 500 600 700 M1 M8 M15 M22 M29 M2 M9 M16 M23 M30 Tỉ lệ PG/VL (%) 10 15 20 M3 M4 M5 M10 M11 M12 M17 M18 M19 M24 M25 M26 M31 M32 M33 25 M6 M13 M20 M27 M34 30 M7 M14 M21 M28 M35 Thuyết minh thí nghiệm: Sử dụng trấu, than trấu, tro bay vật liệu tương tự phối trộn với đất sét để giảm tỷ trọng Thể tích vật liệu kết dính 20ml Na2SiO3 Hỗn hợp nhiệt hóa để bay nước 05 mức nhiệt độ khác (300 – 700oC) vòng 3h TN2: Xác định thể tích chất kết dính tối ưu Na2SiO3 (ml) PG/VL Thể tích chất kết dính (ml) (%) 10 20 30 40 N1 N2 N3 N4 N5 20 N7 N8 N9 N10 N11 25 N13 N14 N15 N16 N17 30 50 N6 N12 N18 Thuyết minh thí nghiệm: Kế thừa kết nhiệt độ tối ưu khoảng tỉ lệ tối ưu Tiếp tụ tiến hành thí nghiệm nhân tố để tìm khoảng tỉ lệ tối ưu thể tích chất kết dính tối ưu TN3: Xác định tỉ lệ lệ Si/Al ảnh hưởng đến vật liệu PG/VL (%) Si/Al 11 V Na SiO tối ưu O1 O5 O9 20 25 30 O2 O6 O10 1.25 O3 O7 O11 2.5 O4 O8 O12 Thuyết minh thí nghiệm: Thí nghiệm kế thừa thể tích chất kết dính tối ưu khoảng tỉ lệ tối ưu Sau đó, đánh giá tỉ lệ Si/Al ảnh hưởng đến vật liệu Tỉ lệ Si/Al kế thừa từ nghiên cứu trước 2.4.3 Phương pháp phân tích a Phương pháp xác định tỷ trọng b Phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (X-Ray Fluorescence - XRF) c Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction - XRD) d Phương pháp kính hiển vi điện tử quyét (Scanning Electron MicroscopeSEM) e Phương pháp Amon axetat - Xác định dung tích trao đổi cation (CEC) 2.4.4 Phương pháp xử lý số liệu trình bày kết - Số liệu sau thu thập xử lý phần mềm Excel 2010, sử dụng thống kê mơ tả: giá trị trung bình, độ lệch chuẩn; kiểm định thống kê sai khác có ý nghĩa tập hợp số liệu Các kết biểu diễn dạng bảng số liệu đồ thị Chương Dự kiến kết nghiên cứu 3.1 Đặc tính tro rơm rạ tiềm thu hồi SiO2 từ tro rơm rạ 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tỉ lệ phụ gia vật liệu đến vật liệu chế tạo 3.3 Ảnh hưởng thể tích chất kết dinh đến vật liệu chế tạo 3.4 Ảnh hưởng tỉ lệ Si/Al đến vật liệu chế tạo 12 PHẦN KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU ST T Thời gian thực Nội dung công việc Chuẩn bị thông qua đề cương nghiên cứu Chuẩn bị vật liệu Tiến hành thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm Hồn thiện khóa luận Nộp bảo vệ khóa luận 01/2017 1/2017 2-3/2017 3-4/2017 4-5/2017 05/2017 05-06/2017 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực đề tài ThS Nguyễn Thị Thu Hà Trịnh Thị Lâm BỘ MÔN QUẢN LÝ SINH VIÊN: Trưởng môn 13 14 ... nguyên liệu silic thu hồi phế phụ phẩm với việc sản xuất vật liệu nhẹ để xử lý mơi trường Chính vậy, nghiên cứu xem xét đến khả ? ?ứng dụng nguyên liệu silicat phế phụ phẩm nông nghiệp để chế tạo. .. đề tài: ? ?Ứng dụng nguyên liệu silicat phế phụ phẩm nông nghiệp để chế tạo vật liệu nhẹ xử lý môi trường ” Loại đề tài: x Khoa học thực nghiệm Điều tra Địa điểm thực hiện: Học viện Nông nghiệp Việt... Gassilicat bọt 1.3.3 Phương pháp Silicat bọt 1.4 Khả kết hợp silicat phế phụ phẩm để chế tạo vật liệu nhẹ Các vật liệu kim loại silicat với ứng dụng chúng Việc tổng hợp, mô tả ứng dụng vật liệu